人类能实现星际旅行吗?

天文学家们相信,人类终能在地球邻近的星系中找到一个新的“地球”。如果有一天,这个目标实现了,人类又怎么能在有限的生命里,飞到距地球光年距离的目的地呢?《发现》杂志撰文介绍了科学家在星际旅行方面的最新进展。

美国宇航局计划10年后发射一个天文望远镜,名为“地球行星探测器”,在太阳系寻找一个新大陆。预测认为,观察大约150个邻近星系可能会找到一个类似地球的小型行星。

如果找到了新的“地球”,会出现什么样的情况呢?然而,要到新“地球”探险的难度可比到火星的难度多得多了。人们在黑夜中能看到的最亮的也是离地球最近的半人马座阿尔法恒星,其中可能存在类似地球的行星,但它离地球却有4.4光年之遥,比目前任何太空探测器所飞行的最长距离还要多3000倍。巨蟹55恒星中有3颗行星,它们组成了一个与太阳系类似的系统,但离地球却达到41光年远,比前者的距离还要多10倍。因此,要飞到一个能给人类居住的新“地球”,需要超快的航天器,它要比今年所有的航天器都要先进得多。

但美国宇航局喷气推进实验室的罗伯特·弗里斯比认为,这样的航天器从理论上说是可以制造的。目前,弗里斯正在研究5种可能使宇航员飞到半人马座阿尔法恒星只需要花费不到50年时间的推进技术。

原子火箭

俄罗斯物理学家齐奥尔科夫斯基发现,星际旅行最大障碍是:火箭的最大速率一般只有其发动机的喷气速率的两倍左右,发动机的喷气速率只能达到4.4公里/秒,因此单级火箭能达到的最大速率不到9公里/秒。以此速率,到达半人马座阿尔法恒星,将需要12万年。如果让一个宇航员花40年抵达目的地,火箭速率需要提高3000倍。如何才能达到这么快的速率,弗里斯比建议,使用核裂变、核聚变和反物质作为推进剂。

核裂变火箭

科学家制造了原子弹和核反应堆。当原子裂变时,所产生的“分裂碎片”速率达到光速的3%,即约每秒9000公里。美国人设计了一种概念型的“分裂碎片”反应堆,可以控制这些高速粒子,使火箭的速率能提高到约每秒1.8万公里,约光速的6%。

弗里斯比提议,把两个核裂变火箭叠加组成二级核裂变火箭,使其飞行速率达到光速的12%。再加上两极减速火箭,人类只需要大约50年的时间就能进入半人马座阿尔法恒星。为了使重量减少至最小,核裂变火箭应该使用能快速衰变的镅这样的燃料。镅并非自然界中存在的放射性元素,而是用人工核反应制造。据估算,飞到最近的恒星需要大约200吨镅,此外还要相当重量的辐射防护材料,使用核裂变火箭进行星际旅行变得不切实际。

核聚变火箭

与核裂变相反,核聚变是把原子结合在一起,从而获得能量。聚变反应堆能减少不必要的一些辐射,也容易获得燃料氘和氚,因为氘和氚在月球的表面和木星的大气中大量存在。在到另一个恒星的星际旅行之前,核聚变火箭完全可在太阳系内找一个地方补充燃料。

然而,科学家至今仍没有建造出一个可工作的核聚变反应堆。人们已经知道利用核聚变反应制造了氢弹,但却没有掌握该反应产生的能量控制技术。不过,一旦科学家掌握了核聚变技术,他们将能控制聚变反应产生的带电粒子,并让它们从一个磁场喷口喷出。这一过程能被应用于二级火箭,使其速率达到光速的12%。

反物质火箭

有一种方法可以以近100%的效率将物质转化为能量,也就是把物质与其镜像反物质相结合。物理学家已经制造了少量的反物质,欧洲核子研究中心最近就制造出了1百万个反氢原子。对星系旅行火箭来说,反物质将是重要的燃料。然而,想要获得星际旅行火箭所需要的大量反物质,是极其困难的事。

在反物质火箭中,等量的反氢原子和氢原子在燃烧室中混合,如果重量都是半磅(1磅约为453.592克),两者结合湮灭时所产生能量将比10兆吨氢弹释放的能量还要大。采用与核裂变火箭类似的方法,用磁场把这些粒子束缚起来,能使其喷射速率达到光速的三分之一,使火箭的最高速率达到光速的66%。“这是迄今人类所能制造的最强功能的火箭。”

二级反物质火箭飞到半人马座阿尔法恒星花费大概41年,需要大约90万吨燃料。在更远距离的星际旅行中,四级(两级加速,两级减速)反物质火箭将更能显示出自己的优势。据弗里斯比计算,飞到巨蟹55恒星需要3800万吨反物质燃料,耗时130年。而采用聚变火箭,同样的航程则需400年。专家说,星际旅行需要更轻、更灵活和更快捷(接近光速)的推进系统。目前,这样的概念型系统有两种,一种不久将接受测试,而另一种则如同半人马座阿尔法恒星那样遥远。

原子火箭以外新的技术

激光帆船

弗里斯比说,激光帆技术是人类星际旅行最可行的技术。这一技术的理论是,正如帆船依靠风力漂洋过海,大功率激光束也能推动巨大“帆”的航天器在太空遨游。

工程师已经制造了一种简单的太空帆船,但它利用太阳光而非激光束。在几个月后,太空爱好者私人组织“行星协会”就计划从巴伦支海,利用俄罗斯潜艇发射人类历史上第一个太阳帆船“宇宙1号”。它重50磅,镀铝“帆”宽达100英尺,依靠太阳光升入更高的轨道。太阳帆船的好处是不用燃料,然而远离太阳后将无法继续前进。

而聚焦的激光束则不像太阳光那样随着距离增加而散射、减弱,它能将“帆船”推到半人马座阿尔法恒星甚至更远。弗里斯比设计了飞往巨蟹55恒星的方案,他采用600英里(1英里合1609米)宽的铝箔帆船,中间是宇航员舱。从地球轨道或月球表面上发射的高能激光将通过一面600英里宽的镜子聚焦,再推动帆船。但由于铝的熔点为660摄氏度,因此帆船还需要使用更轻、更有弹性的材料,比如铌(熔点为2477摄氏度)或钻石(在1799摄氏度时转化为石墨)。

可是,根据弗里斯比的估算,要到达巨蟹55恒星,激光器应该稳定地输出1.7亿亿瓦特,是地球上任何单位时刻所消耗能量总和的1200倍。面对如此巨大的需求,弗里斯比建议使用太阳能,靠特殊装置把它转变为聚焦、连续的高能光束。目前,美国物理学家已研制了一种能将光密度提高8.4万的系统。

弗里斯比计算说,激光帆船能在10年内飞行速率达到光速的一半。而如果采用直径为200英里的激光帆,人类可以在12年半的时间内抵达半人马座阿尔法恒星;采用600英里宽的激光帆,飞到巨蟹55恒星也只需86年。

聚变冲压式喷气发动机航天器

理想的航天器应该同时具有激光帆和原子火箭的优点,这样,宇航员能操纵它随意飞行,同时它还不需要燃料。物理学家提出聚变冲压式喷气发动机,它利用巨大磁铁形成了直径数万公里的磁漏斗,磁漏斗可以在星际旅行过程中收集氢,作为反应堆的燃料。没有燃料重量的拖累,航天器在聚变冲压式喷气发动机的推动下,能以接近光速的速度在星系中穿梭。但弗里斯比表示这一技术远未成熟。利用该技术的航天器在飞行速率不到光速的4%时,运行情况与聚变火箭相似。超过这个速率,航天器的磁漏斗才能收集足够的氢提供给反应堆,这种航天器飞到半人马座阿尔法恒星需要25年,飞到巨蟹55恒星需要90年。

人的问题

与技术问题一样麻烦。尽管人们已经知道如何让宇航员在太空站中保持健康,然而宇航员每次执行任务的时间一般只有几个月,并且有宇宙飞船从地球定期给他们送生活用品。而星际旅行常常花费数十年的时间,中间根本没有地方补充食物等生活必需品。

地球以有限的大气、水和耕地养活了60亿人。然而,人实际上只使用了大气、水和耕地这个系统的一个很小部分。在航天器里,就可以模拟制造这样的系统,也就是说,用适量的水、氧气和食物供人生存。但是,这些水、氧气和食物都必须以近100%的回收率一次又一次地循环。科学家把它称为封闭的循环。如此,人在太空中生存的条件就具备了。

食物

要保持食物持续供应,就需要有相应的粮食种植和收获。美国宇航局的专家认为,这不是特别难,问题在于它能多有效。目前,他们正在进行小麦和西红柿的相关实验。而研究表明,多数植物在高浓度的二氧化碳情况下长势喜人,二氧化碳可由宇航员呼出的气体提供。这些专家说,只需要合适的质量和电力,就可以不断地生产粮食了。

氧气

宇航员吸入氧气、呼出二氧化碳。二氧化碳能通过仪器从宇航员生活环境气体中分离出去;接着再用化学方法把它分离成两个氧原子和一个碳原子,从而获得二氧化碳中的氧。科学家打算不久之后在国际空间站中采用这样的氧气循环法。

一个封闭的水循环意味着把洗澡用的水、种粮食用的水、尿甚至汗都要回收。美国宇航局在地面隔离舱的实验,已经通过冷凝空气中的水蒸气、回收废水和尿成功地让水循环利用了90天。

引力

在失重状态下呆几个月后,宇航员就会患上骨质疏松症。在航天器上,可以有一个简单的方法模拟地球引力:让宇航员舱旋转,产生的向心力就相当于地球引力。

辐射屏蔽

每一艘航天器都将受到太阳风的影响,太阳风是从太阳表面高速喷射出来的离子粒子流。而在更深邃的太空中,航天器肯定还要受到宇宙射线等的辐射。这些都有可能杀死宇航员。裂变、聚变和反物质也同样产生辐射。诸如石墨之类的辐射屏蔽将是必需的。

垃圾保护层

星际中特别空旷,但太空垃圾却防不胜防。即使是一个以一半光速速率飞行的用显微镜才能瞧清楚的太空垃圾,也能给航天器带来灾难性的破坏。垃圾防护层是必须配备的。

心理

对星际旅行来说,宇航员需花费毕生的时间达到目的地,而且没有归程。有谁愿意充当这样的敢死队员呢?即使有,派孩子、派成年人,甚至派多少人执行任务,都会是问题。

更难的是,如果人与人之间产生矛盾怎么办?从目前经验来说,星际旅行的宇航员心理极容易出现问题。星际旅行的艰险和困难可想而知。但正如埃及人建造金字塔、哥伦布发现新大陆,这样的奇迹总会实现。弗里斯比说:“只要想到,人类就能做出让人惊奇的事。”星际旅行将成为人类历史上最昂贵的计划,也会是最不平凡的事业。(郭可)

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